基于短時(shí)能量和短時(shí)過(guò)零率的VAD算法及其FPGA實(shí)現(xiàn)

　　語(yǔ)音激活檢測(cè)VAD（Voice Activity Detection）是一種通過(guò)特定的判決準(zhǔn)則判斷語(yǔ)音中出現(xiàn)的停頓和靜默間隔，檢測(cè)出有效語(yǔ)音部分的技術(shù)。運(yùn)用這種技術(shù)可以在確保語(yǔ)音質(zhì)量的前提下，對(duì)不同類別的語(yǔ)音段采用不同的比特?cái)?shù)進(jìn)行編碼，從而降低語(yǔ)音的編碼速率。由于在雙工移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一方只有35％的時(shí)間處于激活狀態(tài)[1]，如何降低靜音期的編碼速率對(duì)于減少傳輸帶寬、功率以及容量具有積極的作用，因此VAD技術(shù)在語(yǔ)音通信領(lǐng)域具有重要的使用價(jià)值。隨著適合于變比特率語(yǔ)音編碼的CDMA和PRMA等多址技術(shù)的出現(xiàn)，應(yīng)用于蜂窩的語(yǔ)音激活檢測(cè)的重要性也隨之提高[2]。

　　由于語(yǔ)音通信的特殊性，要求檢測(cè)過(guò)程能達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。而目前主流DSP芯片的并行度并不高，因此在實(shí)時(shí)處理的要求下，保證語(yǔ)音質(zhì)量和降低語(yǔ)音的編碼速率兩者難以兼顧。而現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）由于其硬件具有可編程的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)較高的并行度，從而可以在滿足實(shí)時(shí)性要求的前提下，很好地保證語(yǔ)音質(zhì)量并降低語(yǔ)音的編碼速率。

　　1 算法及檢測(cè)流程

　　1．1 算法簡(jiǎn)述

　　語(yǔ)音激活檢測(cè)算法可以基于時(shí)域或頻域。本文采用的算法是時(shí)域分析的方法。算法對(duì)于輸入信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程可分為短時(shí)能量檢測(cè)和短時(shí)過(guò)零率檢測(cè)兩個(gè)部分。算法以短時(shí)能量檢測(cè)為主，短時(shí)過(guò)零率檢測(cè)為輔。根據(jù)語(yǔ)音的統(tǒng)計(jì)特性，可以把語(yǔ)音段分為清音、濁音以及靜音（包括背景噪聲）三種。在本算法中，短時(shí)能量檢測(cè)可以較好地區(qū)分出濁音和靜音。對(duì)于清音，由于其能量較小，在短時(shí)能量檢測(cè)中會(huì)因?yàn)榈陀谀芰块T限而被誤判為靜音；短時(shí)過(guò)零率則可以從語(yǔ)音中區(qū)分出靜音和清音。將兩種檢測(cè)結(jié)合起來(lái)，就可以檢測(cè)出語(yǔ)音段（清音和濁音）及靜音段。

　　1.2 檢測(cè)流程

　　檢測(cè)流程：對(duì)輸入信號(hào)先進(jìn)行高通濾波，減弱以噪聲為主的信號(hào)能量。接著進(jìn)行窗長(zhǎng)為80個(gè)數(shù)據(jù)的加窗處理，然后計(jì)算該幀的平均能量,再利用短時(shí)能量進(jìn)行VAD初判。若平均能量大于門限則判為語(yǔ)音幀，若平均能量小于門限則判為靜音幀。對(duì)于初判為靜音幀的幀再進(jìn)行VAD平滑，即參考前三幀的情況：如果前三幀中至少包含一幀非平滑過(guò)的語(yǔ)音幀，則將該幀平滑為語(yǔ)音幀，同時(shí)記錄下該幀為平滑所得的語(yǔ)音幀；反之，則判斷為靜音幀。如果平滑結(jié)果仍為靜音幀，且當(dāng)前幀的過(guò)零率介于30～70之間時(shí)，則改判為語(yǔ)音幀；反之則仍判為靜音幀[3]。VAD算法的檢測(cè)流程圖如圖1所示。

　　此外，由于人耳的聽覺具有掩蔽效應(yīng)，因此有必要對(duì)短時(shí)能量門限進(jìn)行更新[3]。本算法所采用的門限更新方式是：如果連續(xù)檢測(cè)到三幀語(yǔ)音，為了更好地檢測(cè)到靜音，將短時(shí)能量門限提高3dB，但如果提高后的門限超過(guò)當(dāng)前幀的平均能量減12dB，則不提高門限；如果連續(xù)檢測(cè)到三幀靜音，為了更好地檢測(cè)到語(yǔ)音，將短時(shí)能量門限降低3dB，但如果降低后的門限小于當(dāng)前幀的平均能量加12dB，則不降低門限。此外，為了防止門限變得太高或降得太低， 還應(yīng)把門限限制在GATE_MIN、GATE_MAX范圍內(nèi)。

　　2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化

　　本設(shè)計(jì)采用QuartusII以及ModelSim進(jìn)行開發(fā)（ModelSim是Mentor Graphics公司的仿真軟件）。QuartusII是Altera公司的一套開發(fā)FPGA/CPLD的EDA軟件，可以完成從設(shè)計(jì)輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、后仿真、引腳配置、布局布線到配置芯片的一系列FPGA/CPLD的開發(fā)流程，并提供調(diào)用其他EDA工具，如ModelSim、Synplify/Synplify Pro、FPGA Complier的接口。

　　本設(shè)計(jì)的輸入為16位PCM編碼的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，輸出是每80個(gè)數(shù)據(jù)為一幀的語(yǔ)音信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果，其中高電平表示語(yǔ)音，低電平表示靜音。根據(jù)所用算法的特點(diǎn)，將本設(shè)計(jì)劃分成五個(gè)模塊：FIFO模塊、高通濾波模塊、平均能量模塊、判決模塊以及控制模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　2.1 FIFO模塊

　　輸入的語(yǔ)音信號(hào)的采樣率為8kHz，如果將8kHz作為系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率，極大地削弱了FPGA芯片的速度優(yōu)勢(shì)。因此系統(tǒng)需要兩個(gè)時(shí)鐘，一個(gè)是頻率為8kHz的采樣時(shí)鐘，另一個(gè)為系統(tǒng)主時(shí)鐘。

　　在FPGA設(shè)計(jì)中，多時(shí)鐘設(shè)計(jì)會(huì)帶來(lái)不穩(wěn)定的隱患。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)雙口的FIFO作時(shí)鐘隔離。FIFO模塊具有16位的數(shù)據(jù)輸入口及16位的數(shù)據(jù)輸出口、8kHz時(shí)鐘輸入口以及系統(tǒng)主時(shí)鐘輸入口。此外，由于FIFO的讀速度大于寫速度，因此當(dāng)FIFO為空時(shí)，需要輸出一個(gè)empty信號(hào)。

　　在高通濾波、平均能量計(jì)算、判決、控制這四個(gè)模塊中均可采用單時(shí)鐘設(shè)計(jì)，而且所使用的時(shí)鐘均為系統(tǒng)主時(shí)鐘。

　　2．2 濾波器模塊

　　濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行高通濾波的預(yù)處理。高通濾波器的傳輸函數(shù)采用CS-ACELP算法所使用的傳輸函數(shù)[4]：